タイトル: 階層(レイヤ)
SEOタイトル: OSI 参照モデル 階層 (レイヤ) 完全ガイド
| この記事の要点 |
|
OSI 参照モデルとは
OSI 参照モデル (Open Systems Interconnection Reference Model) は、ISO が 1984 年に標準化した、ネットワーク通信の機能を 7 階層に分けて整理した概念モデルです。実装ではなく「役割の整理図」として使われ、トラブルシュート時に「どの層の問題か」を切り分ける共通言語になります。
7 階層と各層の責務
| 層 | 名称 | 責務 | PDU | 代表プロトコル / 装置 |
|---|---|---|---|---|
| L7 | Application | アプリ固有の通信ルール | Data | HTTP / SMTP / DNS / FTP / SSH |
| L6 | Presentation | データ形式 / 文字コード / 暗号化 | Data | TLS / ASCII / UTF-8 / JPEG |
| L5 | Session | セッション開始・継続・終了 | Data | NetBIOS / RPC / SIP |
| L4 | Transport | エンド間の信頼性・順序・多重化 | Segment (TCP) / Datagram (UDP) | TCP / UDP / QUIC |
| L3 | Network | 論理アドレス・経路選択 | Packet | IP / ICMP / OSPF / BGP, Router |
| L2 | Data Link | 同一物理媒体上のフレーム転送 | Frame | Ethernet / PPP / Wi-Fi, Switch |
| L1 | Physical | 電気信号 / 光信号 / 電波 | Bit | UTP / 光ファイバ, Hub / NIC / 規格 RJ-45 |
SDU / PDU / カプセル化
各層が扱うデータ単位の呼称は次のとおり。
- PDU (Protocol Data Unit): その層が交換するデータ単位（ヘッダ + ペイロード）
- SDU (Service Data Unit): 上位層から渡された、まだその層のヘッダを付けていないデータ
送信側では上から下へ各層がヘッダ（必要ならトレーラ）を付ける「カプセル化」、受信側では下から上へ各層が自分のヘッダを剥がす「デカプセル化」を行います。
[送信側 カプセル化]
L7 HTTP: GET /index.html ... (Data)
L4 +TCP header (port, seq) → TCP segment
L3 +IP header (src/dst IP) → IP packet
L2 +Ethernet header & trailer (MAC, FCS) → Ethernet frame
L1 → ビット列を電気信号に
[受信側 デカプセル化]
L1 電気信号 → ビット列
L2 Ethernet frame → ヘッダ確認・剥離 → IP packet
L3 IP packet → IP ヘッダ確認・剥離 → TCP segment
L4 TCP segment → TCP ヘッダ確認・剥離 → アプリ宛 Data
L7 HTTP リクエスト処理TCP/IP モデルとの対応
実装で使われているのは OSI ではなく TCP/IP モデル。資料により 4 層モデル (RFC1122) または 5 層モデル (Tanenbaum 教科書) で説明されます。
| OSI (7層) | TCP/IP 5層 | TCP/IP 4層 | 代表プロトコル |
|---|---|---|---|
| L7 Application | Application | Application | HTTP / DNS / SSH |
| L6 Presentation | TLS / JSON | ||
| L5 Session | QUIC のストリーム / TLS セッション | ||
| L4 Transport | Transport | Transport | TCP / UDP / QUIC |
| L3 Network | Internet | Internet | IP / ICMP |
| L2 Data Link | Data Link | Network Access (Link) | Ethernet / Wi-Fi |
| L1 Physical | Physical | UTP / 光ファイバ |
各層の責務を具体例で
- L1 Physical: 「電圧 0V を 0、5V を 1 と解釈する」「光のパルスを ON/OFF で表現する」など、ビットを物理現象に乗せる
- L2 Data Link: 「同じ Ethernet ケーブル / Wi-Fi 上の隣接機器との通信」を担当。MAC アドレスでフレームを宛先付け、CRC でビット誤り検出
- L3 Network: 「異なる LAN セグメント間」の通信を担当。IP アドレスで論理宛先を表し、ルータが経路選択 (ルーティング)
- L4 Transport: 「エンドツーエンドで信頼できる通信」。ポート番号で多重化、TCP は再送 / 順序保証 / 輻輳制御
- L5 Session: 「論理的な会話の単位」。再開・チェックポイントなど
- L6 Presentation: データ形式 (ASCII↔EBCDIC、JSON、XML)、文字コード、圧縮、暗号化 (TLS)
- L7 Application: アプリ固有のメッセージ仕様 (HTTP メソッド、SMTP コマンド等)
現実のプロトコルがどこに当たるか
| プロトコル | 主な層 | 備考 |
|---|---|---|
| HTTP / HTTPS | L7 | HTTPS は L6 で TLS を使う |
| DNS | L7 | UDP/53 (一部 TCP, DoT, DoH) |
| TLS / SSL | L6 (一部 L5) | HTTPS の S 部分 |
| TCP / UDP | L4 | QUIC は L4 + L5/L6 (TLS 内蔵) |
| IP (IPv4/IPv6) | L3 | |
| ICMP / ARP | L3 / L2.5 (議論あり) | ARP は IP-MAC 解決 |
| Ethernet | L2 | 1000BASE-T 等の物理は L1 |
| Wi-Fi (802.11) | L2 + L1 | MAC とフィジカル両方含む |
| USB / Bluetooth | L1〜L7 のスタック | 独自スタック |
覚え方 (Mnemonic)
| 方向 | 英語覚え歌 | 意味 |
|---|---|---|
| L1→L7 | Please Do Not Throw Sausage Pizza Away | Physical/DataLink/Network/Transport/Session/Presentation/Application |
| L7→L1 | All People Seem To Need Data Processing | Application〜Physical |
俗語: Layer 8 / Layer 9
標準外のジョーク的拡張ですが、実務でも会話に登場します。
- Layer 8 = User（ユーザのオペレーションミス）「これ Layer 8 の問題だね」
- Layer 9 = Politics / Money（組織内政治・予算）
- Layer 10 = Regulation（法規制）
トラブル切り分けでの使い方
ネットワーク障害時は下層から順に切り分けるのが鉄則。
# L1: ケーブル / リンクは生きているか
ip link show eth0 # state UP / DOWN
ethtool eth0 # Link detected: yes
# L2: 隣接機器とフレームは届くか
ip neigh # ARP テーブル
ping -c1 192.168.1.1 # ICMP は L3 だが L2 ARP も確認
# L3: ルーティングは正しいか
ip route
traceroute 8.8.8.8
# L4: 該当ポートで TCP 接続が張れるか
nc -vz example.com 443
ss -tlnp # 自ホストの LISTEN
# L7: アプリケーション応答
curl -v https://example.com/FAQ
Q: 7 階層を全部覚える意味は？
A: 実装上はほぼ TCP/IP 4-5 層で十分ですが、セキュリティ機器のスペック表 (L7 ファイアウォール) や負荷分散 (L4 / L7 LB) など、業界用語が OSI 番号ベースなので、共通言語として必要です。
Q: TLS は L6 か L5 か L7 か？
A: 厳密には L6 (Presentation) が近いとされますが、SSL/TLS は OSI に厳密対応しません。HTTPS の文脈では「L4 と L7 の間の暗号化層」と説明されることが多いです。
Q: QUIC はどの層？
A: 主に L4 (Transport) ですが、TLS 1.3 を内蔵し、ストリーム多重化も持つためL4〜L6 をまたぐと言われます。RFC 9000 が仕様。